Eine in Environmental Science and Ecotechnology veröffentlichte Studie berichtet über eine selbstversorgende Plattform, die Abwasser in eine Quelle für sauberes Wasser und Dünger verwandelt. Forscher der Temple University und des New Jersey Institute of Technology entwickelten ein geschlossenes System, das elektrisch unterstützte Vorwärtsosmose (eFO) mit einer mikrobiellen Entsalzungszelle (MDC) verbindet, sodass von abwasserbesiedelten Mikroben erzeugter Strom die Rückgewinnung von Nährstoffen und Wasser antreibt.
Das System adressiert den wachsenden Bedarf, Ressourcen aus Abwasser zurückzugewinnen – angesichts von Wasserknappheit, Energieengpässen und Düngernachfrage. Herkömmliche Behandlung konzentriert sich auf Schadstoffentfernung, doch das integrierte Design ermöglicht die Rückgewinnung von Wasser, Nährstoffen und Energie in einem stabilen Prozess. Das eFO-Modul nutzt einen osmotischen Gradienten, um Wasser aus Abwasser in eine Magnesiumsulfat-Lösung zu ziehen. Bei Anlegen eines schwachen elektrischen Feldes wandern Magnesiumionen zurück zur Abwasserseite und reagieren mit Ammonium und Phosphat zu Struvit, einem langsam freisetzenden Dünger.
Die MDC-Komponente beherbergt elektroaktive Mikroorganismen, die organische Substanz oxidieren und Elektronen erzeugen, die die Entsalzung unterstützen. Die Forscher ernteten diese mikrobielle Elektrizität, speicherten sie in einem 400-Farad-Superkondensator, regulierten die Spannung und speisten sie zurück in die eFO-Einheit. Im Labormaßstab erzeugte die MDC mehr als 7,0 Milliwatt, während das eFO-Modul weniger als 1,0 Milliwatt verbrauchte. Im Vergleich zur Kontrolle stieg der Wasserfluss um 57 %, die Struvitrückgewinnung erhöhte sich von 0,25 auf 0,71 Gramm bei 1,8 Volt, und die Gesamtentsalzungseffizienz verbesserte sich um 45 %. Bei höherer Spannung erreichte die Struvitrückgewinnung 1,03 Gramm bei 3,8 Volt.
Um den Betrieb zu steuern, entwickelte das Team ein hybrides Modell, das mechanistische Transportgleichungen mit einer Support-Vector-Machine (SVM) kombiniert und die Vorhersage von Struvitrückgewinnung, chemischem Sauerstoffbedarf (COD), Leitfähigkeit und Leistungsabgabe unter verschiedenen Bedingungen ermöglicht. Die Autoren betonten, dass die Studie zeigt, wie Abwasserbehandlung als vernetzter Ressourcenrückgewinnungskreislauf neu gestaltet werden kann, anstatt als separate Einzelprozesse. Die interne Rückkopplung, bei der mikrobielle Elektrizität direkt die Ionenbewegung und Düngerbildung steuert, macht den Ansatz für nährstoffreiche Ströme wie landwirtschaftliches Abwasser praktikabler.
Die Ergebnisse deuten auf Anwendungen in dezentraler Abwasserbehandlung, landwirtschaftlichem Abfallmanagement und zukünftigen Ressourcenrückgewinnungsanlagen hin. Allerdings erfordert die Hochskalierung technische Arbeit: Die MDC erzeugte genug Strom für das eFO-Modul, aber hydraulische Verweilzeiten, Modulgrößen, Struviternte, Membranverkalkung und Elektrodenhaltbarkeit müssen optimiert werden. Eine technisch-wirtschaftliche Bewertung schätzte die Nettobehandlungskosten im Labormaßstab auf 10,2 $ pro Kubikmeter, die bei einer technischen Hochskalierung auf 3,3 $ pro Kubikmeter sinken.
Die Studie wurde teilweise vom U.S. Bureau of Reclamation (Fördernummern 13761566 und R22AC00433) und dem NSF/BSF-Projekt (Fördernummer 2215387) unterstützt. Die Veröffentlichung wurde teilweise durch den Temple University Libraries Open Access Publishing Fund finanziert. Die vollständige Studie ist verfügbar unter https://doi.org/10.1016/j.ese.2026.100730.
